В настоящее время в распоряжении разработчиков имеется широкий спектр теплоизоляционных материалов, что отражает изменение передовых методов проектирования. Этот сдвиг заключается в замене вентиляции электронных компонентов на широкое использование радиаторов и установлении точных соединений между нагревающимися компонентами и рассеивающими поверхностями, такими как металлический корпус или крышка. Это изменение демонстрирует общую потребность в миниатюрных сборках. Постоянно растущая плотность компонентов фактически уменьшает объем воздуха, доступного для охлаждения, и препятствует его циркуляции. Там, где раньше для охлаждения системы с помощью принудительной подачи воздуха использовался вентилятор, теперь часто предпочтительнее использовать безвентиляторную конструкцию для снижения затрат, энергопотребления, размеров и уровня шума. Более того, вентилятор часто является наименее надежным компонентом в системе.
Воздух как враг:
Застойный воздух считается врагом управления тепловыми процессами. Из-за низкой теплопроводности, составляющей всего 0,024 Вт/мК по сравнению с 250 Вт/мК для алюминия, воздух, запертый в микроскопических карманах на границе раздела между радиатором и компонентом, может серьезно ухудшить теплопередачу. Традиционно для устранения этих воздушных карманов на поверхности наносили термопасту или материал с фазовым переходом.
Для соответствия современным требованиям к теплоотводу, в настоящее время доступен более широкий ассортимент продукции и материалов с расширенными свойствами, что помогает инженерам эффективно устранять воздушные зазоры внутри корпуса. Одной из главных задач, стоящих перед разработчиками сегодня, является заполнение относительно больших воздушных зазоров внутри корпуса. Их размер может варьироваться от 1 мм до 5 мм. Кроме того, при установке нескольких компонентов на общий радиатор, размер воздушных зазоров может быть непостоянным и различаться от компонента к компоненту. Эта проблема может усугубляться накоплением механических допусков при сборке. В таких случаях выбранный наполнитель должен компенсировать такие вариации, чтобы обеспечить плотный контакт с каждой поверхностью без чрезмерного воздействия на корпус компонента.
Термопрокладки и гели — два наиболее популярных решения для охлаждения, используемых сегодня. Прокладки, представляющие собой сжимаемые элементы с силиконовым эластомерным связующим, заполненные теплопроводящими частицами, повторяют контуры материнской платы. Гель — это вулканизированный силиконовый материал, который можно наносить с помощью насоса или дозатора. Он идеально подходит, когда расстояние между поверхностью компонента и прилегающей холодной поверхностью может меняться, например, когда несколько компонентов подключены к общему радиатору. Его также можно использовать в качестве альтернативы традиционной термопасте или материалам с фазовым переходом, поскольку он оказывает на плату и ее компоненты лишь небольшое и постоянное воздействие.
Заполнители:
Достижения в области полимерных связующих материалов, способных работать в широком диапазоне температур, сыграли важную роль в разработке заполнителей, поскольку они решают многие из современных проблем управления тепловыми процессами, с которыми сталкиваются инженеры. Широко используемые силиконовые эластомеры имеют низкий модуль сжатия, что позволяет им повторять контуры поверхностей склеивания с минимальным сжатием. Это позволяет избежать высоких нагрузок на компоненты и паяные соединения. Поэтому низкий модуль сжатия и высокая теплопроводность являются идеальными качествами для заполнителя. Новые материалы, такие как HCS10 от Chomerics, демонстрируют устойчивую тенденцию к созданию все более мягких соединений, что, безусловно, очень полезно при проектировании чувствительных электронных систем малого форм-фактора.
Предлагается множество различных уровней тепловых характеристик, с теплопроводностью от менее 1 Вт/мК до более 6 Вт/мК. Поскольку теплопроводность обычно определяется количеством и типом проводящего наполнителя, которым могут быть частицы керамического материала или металлического соединения, такого как оксид алюминия, оксид цинка или нитрид бора, более высокая теплопроводность обычно достигается за счет увеличения модуля сжатия.
Конструкторы также могут выбирать из различных значений модуля сжатия. Среди наиболее податливых составов можно выделить прокладку THERM-A-GAP™ HCS10, материал, деформирующийся на 73% при давлении 50 psi, и THERM-A-GAP 580, деформирующийся всего на 30% в тех же условиях. Следовательно, некоторые наполнители могут использоваться для гашения вибраций, одновременно обеспечивая свойства адаптации для теплоотвода.
Вставки обычно выпускаются различной толщины. Однако проектировщикам следует помнить, что теплопроводность вставки значительно ниже, чем у металла. Вставка не является решением проблемы плохой теплоизоляции, поэтому инженерам следует стремиться к тому, чтобы зазоры были как можно меньше, чтобы их можно было заполнить вставками минимальной толщины.
Теплопроводящие прокладки можно заказать в виде целых листов, нарезанных по размеру, или в виде отдельных нарезанных на листе деталей или компонентов. Также может использоваться подложка, например, из алюминиевой фольги или стекловолокна. Поверхности прокладок обычно имеют некоторую степень липкости для удержания на месте и минимизации контактного сопротивления. Для обеспечения постоянного контакта с холодным материалом на поверхность может быть предварительно нанесен клей, чувствительный к давлению. Для чувствительных к силикону применений, таких как аэрокосмическое и оптическое электронное оборудование, а также жесткие диски, доступны составы с низким уровнем выделения газов и без силикона.
Термогели
, с другой стороны, могут поставляться в виде готового материала, картриджей или шприцев. В нормальных условиях их можно хранить без охлаждения, и гель не склонен к затвердению.
Термогель обладает рядом важных преимуществ, включая отсутствие необходимости поддерживать запас и складирование термопрокладок различных форм и размеров, а также обеспечение точности выбора и размещения прокладок. Гели полностью высыхают и сохраняют свою форму, что делает их удобными в использовании в производственных условиях. Их можно наносить в линию с высокой повторяемостью формы и объема с помощью автоматизированных дозаторов. В некоторых случаях круглая форма оптимально покрывает поверхности склеивания, в то время как змеевидные, коробчатые или спиралевидные формы часто используются для покрытия концов корпусов интегральных схем, таких как QFN, LGA или BGA. Одна линия геля, несомненно, лучше всего подходит для крепления радиатора к традиционному корпусу DIL.
Доступен широкий ассортимент термогелей, таких как GEL30 от Parker Chomerics, который подходит как для заполнения, так и в качестве прямой замены термопасты. По сравнению с ними, сшитая структура гелей гарантирует низкий модуль упругости и устраняет такие недостатки, как необходимость опорожнения и высыхания.
Гелевая прокладка GEL30 обладает теплопроводностью 3,5 Вт/мК. По сравнению с некоторыми другими прокладками, гели создают гораздо меньшую механическую нагрузку на компоненты. Это часто важно, учитывая, что в современных конструкциях, как правило, используются быстросъемные соединения с защелкивающимся креплением, усилие зажима которых никогда не может быть таким высоким, как у традиционных винтовых соединений, которые требуют больше времени и создают большее сжимающее усилие на материал интерфейса.
Также доступны гели, способные поддерживать электрическую изоляцию между компонентом и радиатором. Эти гели содержат стеклянные микросферы диаметром 0,25 мм, которые действуют как диэлектрик или ограничитель сжатия, обеспечивая минимальный зазор между поверхностью компонента и радиатором. Это позволяет инженерам использовать свойства геля при работе с силовыми компонентами, где тепловое соединение также обеспечивает электрическое соединение с чипом.
Краткое описание:
В рамках хорошо продуманной стратегии управления тепловым режимом термопрокладки и гели могут заполнить большую часть воздушных зазоров, которые невозможно устранить на этапе проектирования электронного оборудования. Оба типа наполнителей содержат высокотехнологичные материалы и обладают многочисленными преимуществами с точки зрения производительности и простоты использования. Каждый из них является очень полезным инструментом для инженеров, стремящихся максимизировать тепловые характеристики новой конструкции.
Автор:
Риаз Ахмед, Европейское подразделение Chomerics -
Parker Hannifin Ltd.
